Elektroakustika. pojmy. L01: Základné. doc. Ing. Jozef Juhár, PhD február

Transcription

1 Elektroakustika L01: Základné pojmy doc. Ing. Jozef Juhár, PhD február

2 Akustika Akustika je veda, zaoberajúca vznikom, šírením, príjmom a pôsobením zvuku. Jej názov je odvodený od gréckeho slova akoustos, ktorého pôvodný význam je počúvanie resp. počutie. Už od svojich počiatkov aplikácie akustiky hrajú dôležitú rolu v každodennom živote ľudí: hudba architektúra engineering armáda medicína psychológia lingvistika 22. február

3 História akustiky: Prvé experimenty Vznik akustiky je všeobecne spájaný s gréckym filozofom Pythagorasom (6. stor. BC), ktorý experimentálne skúmal vzťah medzi výškou tónu a dĺžkou strún hudobných nástrojov definoval prvú hodobnú stupnicu (Pythagorova tónová stupnica). Aristoteles (4. stor. BC) formuloval hypotézu, že zvuk sa šíri vo vzduchu prostredníctvom pohybu malých, neviditeľných častíc. Mylne sa napríklad domnieval, že vysoké frekvencie sa šíria rýchlejšie než nízke. Rímsky architekt Vitrivius (1.stor. BC) skúmal mechanizmus šírenia zvukových vĺn a prispel podstatnou mierou k metodike akustického návrhu vtedajších divadiel. Rímsky filozof Boethius (6. stor. AD) zaoberal sa akustiky hudby prvýkrát sformuloval predpoklad, že percepcia výšky tónu (subjektívny vnem) súvisí s frekvenciou (fyzikálna vlastnosť) 22. február

4 História akustiky: Prvé experimenty Galileo Galilei ( ) aplikoval vedecké metódy pri štúdiu vibrácií telies a vzťahu medzi výškou tónu a frekvenciou Francúzsky matematik Marin Mersenne ( ) študoval vibrácie strún jeho publikácia Harmonicorum Libri (1636) je základom modernej hudobnej akustiky Anglický fyzik Robert Hooke ( ) zostrojil mechanický prístroj, pomocou ktorého dokázal generovať zvuk známej frekvencie dokázal tak priradiť frekvenčnú stupnicu k hudobnej stupnici Na prácu Roberta Hookea nadviazal francúzsky fyzik Félix Savart ( ) zostrojením dokonalejšieho Savartovho kolesa Joseph Sauveur ( ) detailne študoval vzťah medzi výškou tónu a frekvenciou zvukových vĺn, generovaných strunami, navrhov zaklad akustickej terminológie a ako prvý navrhol názov akustika pre vedný odbor 22. február

5 Bell-in-vacuum experiment jeden z najzaujímavejších a najkontroverznejších historických experimentov, ktorým sa doposiaľ demonštruje prenos zvuku vzduchom odčerpávaním vzduchu sa postupne znižuje hlasitosť zvončeka, umiestneného v sklenenej banke až do 17. storočia mnoho filozofov a vedcov verilo, že nositeľmi zvuku sú neviditeľné častice, ktoré sa šíria od zdroja zvuku do priestoru koncepcia zvuku ako vlnenia zmenila tento pohľad, nobolo to však dokázané experimentálne bell-in-vacuum experiment bol prvýkrát uskutočnený Athanasiom Kircherom, nemeckým učiteľom, ktorý ho opísal v knihe Musurgia Universalis (1650) Kircher zistil, že aj po odčerpaní vzduchu z banky bol zvuk zvončeka počuteľný, na základe čoho skonštatoval, že vzduch na prenos zvuku nie je potrebný v skutočnosti bol zvuk počuteľný preto, že vzduch bol odčerpaný nedostatočne v banke nebol absolútne vákuum v roku 1660 anglo-írsky vedec Robert Boyle zlepšil technológiu vákuovej pumpy, pomocou ktorej dosiahol zníženie počuteľnosti zvuku pod prah počutia na základe toho správne skonštatoval, že na prenos zvuku je potrebné nejaké médium vzduch hoci tento záver bol korektný, jeho zdôvodnenie bolo zavádzajúce dokonca aj so súčasnými pumpami sa nedá dosiahnuť absolútne vákuum a súčasné experimenty potvrdzujú, že množstvo vzduchu, ktorý zostane vo vákuovej banke je na prenos zvuku postačujúci skutočným dôvodom zníženia hladiny zvuku bolo (a je) impedančné neprispôsobenie medzi zvončekom a vzduchom na jednej strane a vzduchom a stenou banky na druhej strane, spôsobené veľkým rozdielom v hustotách prostredí (zvonček, vzduch, stena banky, vzduch), vďaka čomu bol prenos zvuku medzi týmito prostrediami veľmi neefektívny nehľadiac na to, tento experiment prispel rozhodujúcou mierou k tomu, že zvuk sa začal považovať za vlnenie a nie žiarenie 22. február

6 Measuring the speed of sound Once it was recognized that sound is in fact a wave, measurement of the speed of sound became a serious goal. In the 17th century, the French scientist and philosopher Pierre Gassendi made the earliest known attempt at measuring the speed of sound in air. Assuming correctly that the speed of light is effectively infinite compared with the speed of sound, Gassendi measured the time difference between spotting the flash of a gun and hearing its report over a long distance on a still day. Although the value he obtained was too high about metres per second he correctly concluded that the speed of sound is independent of frequency. In the 1650s, Italian physicists Giovanni Alfonso Borelli and Vincenzo Viviani obtained the much better value of 350 metres per second using the same technique. Their compatriot G.L. Bianconi demonstrated in 1740 that the speed of sound in air increases with temperature. The earliest precise experimental value for the speed of sound, obtained at the Academy of Sciences in Paris in 1738, was 332 metres per second incredibly close to the presently accepted value, considering the rudimentary nature of the measuring tools of the day. A more recent value for the speed of sound, metres per second, was obtained in 1942; it was amended in 1986 to metres per second at 0 C. The speed of sound in water was first measured by Daniel Colladon, a Swiss physicist, in Colladon came up with a speed of 1,435 metres per second at 8 C; the presently accepted value interpolated at that temperature is about 1,439 metres per second. Two approaches were employed to determine the velocity of sound in solids. In 1808 Jean-Baptiste Biot, a French physicist, conducted direct measurements of the speed of sound in 1,000 metres of iron pipe by comparing it with the speed of sound in air. A better measurement had earlier been carried out by a German, Ernst Florenz Friedrich Chladni, using analysis of the nodal pattern in standing-wave vibrations in long rods. 22. február

7 Rýchlosť zvuku Je to rýchlosť, ktorou sa šíri zvukové vlnenie v pružnom prostredí Závisí od teploty, hustoty látky,... Pre plyny (teda aj vzduch) platí: χ p χp 1 = = ( 1+ γ ) 331,8 + 0,61 ms 0 00 c0 T T ρ ρ0 χ - Poissonova konštanta p ρ 00 0 o - statický tlak vzduchu pri 0 C o - hustota vzduchu pri 0 C γ - koeficient objemovej rozťažnosti plynov T - teplota v 0 o C Teplota [ o C] Rýchlosť zvuku [m/s] 0 331, , , , , , ,1 22. február

8 Matematické metódy základy modernej akustiky I Simultaneous with these early studies in acoustics, theoreticians were developing the mathematical theory of waves required for the development of modern physics, including acoustics. In the early 18th century, the English mathematician Brook Taylor developed a mathematical theory of vibrating strings that agreed with previous experimental observations, but he was not able to deal with vibrating systems in general without the proper mathematical base. This was provided by Isaac Newton of England and Gottfried Wilhelm Leibniz of Germany, who, in pursuing other interests, independently developed the theory of calculus, which in turn allowed the derivation of the general wave equation by the French mathematician and scientist Jean Le Rond d'alembert in the 1740s. The Swiss mathematicians Daniel Bernoulli and Leonhard Euler, as well as the Italian-French mathematician Joseph-Louis Lagrange, further applied the new equations of calculus to waves in strings and in the air. In the 19th century, Siméon-Denis Poisson of France extended these developments to stretched membranes, and the German mathematician Rudolf Friedrich Alfred Clebsch completed Poisson's earlier studies. A German experimental physicist, August Kundt, developed a number of important techniques for investigating properties of sound waves. These included the Kundt's tube, discussed below. One of the most important developments in the 19th century involved the theory of vibrating plates. In addition to his work on the speed of sound in metals, Chladni had earlier introduced a technique of observing standing-wave patterns on vibrating plates by sprinkling sand onto the plates a demonstration commonly used today. Perhaps the most significant step in the theoretical explanation of these vibrations was provided in 1816 by the French mathematician Sophie Germain, whose explanation was of such elegance and sophistication that errors in her treatment of the problem were not recognized until some 35 years later, by the German physicist Gustav Robert Kirchhoff. 22. február

9 Kundtova trubica na jednom konci zatvorená a na druhý koniec sa privádza zvukový signál v trubici dochádza k superpozícii priamej a odrazenej vlny vhodnou voľbou vlnovej dĺžky (frekvencie) a dĺžky trubice vzniká tzv. stojatá vlna vznik stojatej vlny je pozorovateľný pomocou vznášajúcich sa kúskov veľmi ľahkej hmoty, koncentrovaných na miestach, kde sa nachádzajú uzly akustického tlaku 22. február

10 Matematické metódy základy modernej akustiky II The analysis of a complex periodic wave into its spectral components was theoretically established early in the 19th century by Jean-Baptiste-Joseph Fourier of France and is now commonly referred to as the Fourier theorem. The German physicist Georg Simon Ohm first suggested that the ear is sensitive to these spectral components; his idea that the ear is sensitive to the amplitudes but not the phases of the harmonics of a complex tone is known as Ohm's law of hearing (distinguishing it from the more famous Ohm's law of electrical resistance). Hermann von Helmholtz made substantial contributions to understanding the mechanisms of hearing and to the psychophysics of sound and music. His book On the Sensations of Tone As a Physiological Basis for the Theory of Music (1863) is one of the classics of acoustics. In addition, he constructed a set of resonators, covering much of the audio spectrum, which were used in the spectral analysis of musical tones. The Prussian physicist Karl Rudolph Koenig designed many of the instruments used for research in hearing and music, including a frequency standard and the manometric flame. The flame-tube device, used to render standing sound waves visible, is still one of the most fascinating of physics classroom demonstrations. The English physical scientist John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, carried out an enormous variety of acoustic research; much of it was included in his two-volume treatise, The Theory of Sound, publication of which in is now thought to mark the beginning of modern acoustics. Much of Rayleigh's work is still directly quoted in contemporary physics textbooks. The study of ultrasonics was initiated by the American scientist John LeConte, who in the 1850s developed a technique for observing the existence of ultrasonic waves with a gas flame. This technique was later used by the British physicist John Tyndall for the detailed study of the properties of sound waves. The piezoelectric effect, a primary means of producing and sensing ultrasonic waves, was discovered by the French physical chemist Pierre Curie and his brother Jacques in Applications of ultrasonics, however, were not possible until the development in the early 20th century of the electronic oscillator and amplifier, which were used to drive the piezoelectric element. Among 20th-century innovators were the American physicist Wallace Sabine, considered to be the originator of modern architectural acoustics, and the Hungarian-born American physicist Georg von Békésy, who carried out experimentation on the ear and hearing and validated the commonly accepted place theory of hearing first suggested by Helmholtz. Békésy's book Experiments in Hearing, published in 1960, is the magnum opus of the modern theory of the ear. 22. február

11 Manometric flame 22. február

12 Zvuk Zvuk je mechanický rozruch, ktorý vzniká v pružnom prostredí vychyľovaním častíc prostredia zo svojej rovnovážnej polohy šíri sa prostredím vo forme zvukovej vlny (odovzdávaním energie kmitania medzi susediacimi časticiami) je vnímateľný sluchovými orgánmi ľudí, zvierat a iných živých tvorov, alebo detekovateľný špeciálnymi prístrojmi (sonar) Nazývame ho tiež zvukovým (akustickým) vlnením 22. február

13 Zvukové vlnenie priečne (transverzálne) častice sa vychyľujú v smere kolmom na smer šírenia rozruchu tangenciálne sily pevné látky pozdĺžne (longitudinálne) častice sa vychyľujú v smere šírenia rozruchu normálové sily kvapalné a plynné látky 22. február

14 Lineárny oscilátor matematický model pohybu hmotnej častice, prenášajúcej zvukovú vlnu Pohyb hmotného bodu lineárneho oscilátora je periodický, prebiehajúci po priamke a jeho časový priebeh možno získať riešením diferenciálnej rovnice, ktorá je vlastne pohybovou rovnicou hmotného bodu oscilátora: 2 dy 2 [ ] m dt + ky= 0 kde y m výchylka m hmotnosť kmitajúceho bodu t s čas k tuhosť pružiny [ kg] [] [ N/m ] () 1 Riešením tejto rovnice je výraz pre tzv. voľné kmity bez tlmenia: ( ω ϕ ) ω [ 1 s] ϕ0 [ ] y [ m] y= y sin t+ kde vlastný uhlový kmitočet fázový uhol amplitúda výchylky kmitania ( 2) Spätným dosadením rovnice (2) do (1) dostaneme informáciu o tzv. vlastnom uhlovom kmitočte osciláto ra: ω = 0 k m 22. február

15 Časový priebeh harmonického kmitania Pohyb lineárne kmitajúceho hmotného bodu si môžeme predstaviť ako priemet vektora (fázora), otáčajúceho sa konštantnou uhlovou rýchlosťou. Okamžitú hodnotu výchylky môžeme vyjadriť ako reálnu alebo imaginárnu časť výrazu, popisujúceho vektor, rotujúci konštantnou uhlovou rýchlosťou (Eulerov vzorec) jϕ cosϕ+ jsinϕ = e y = y0 e ϕ= ωt ϕ + 0 y = Re{ Y} = y0 cos( ωt+ ϕ0) j( ωt+ ϕ0 ) y = Im{ Y} = y sin ( ωt+ ϕ ) 0 0 φ 2 y φ 3 φ 1 t 1 t 3 t 2 t 22. február

16 v Rýchlosť kmitania hmotného bodu y 1 0 = ω 0 ms ( j( ωt+ ϕ )) 0 0 j( ωt ϕ ) dy d y e v = = = = = dt d t ( 0sin ( ωt+ ϕ0) ) π π j ωt+ ϕ + j ωt+ ϕ y e jω ω y e v e dy d y v = = = ω y0cos ωt+ ϕ0 = v0 ωt+ ϕ0 dt d t ( ) cos( ) y v y 0 m v 0 t 22. február

17 Akustická výchylka výchylka, o ktorú sa pri šírení zvukového vlnenia prostredím vychyľujú častice prostredia zo svojej rovnovážnej polohy akustická výchylka je striedavou skalárnou veličinou je funkciou času a priestoru (pre zvukovú vlnu šíriacu sa v priestore) jej základnou jednotkou je [m] označovanie y(x,t), y(r,t) 22. február

18 Akustická rýchlosť a zrýchlenie (mechanická) rýchlosť (zrýchlenie), ktorou častice prostredia kmitajú okolo svojej rovnovážnej polohy striedavá veličina funkcia času a priestoru, ktorá je určená nielen veľkosťou, ale i smerom vektor základnou jednotkou je [ms -1 ] v(x,t), v(r,t) resp [ms -2 ] a(x,t), a(r,t) 22. február

19 22. február

20 Vlnoplocha, čelo vlny, zvukový lúč Vlnoplocha geometrické miesto bodov prostredia, v ktorých častice prostredia kmitajú s rovnakou fázou Čelo vlny geometrické miesta bodov, do ktorých zvukové vlnenie dorazilo v určitom okamihu a v ktorých kmitajú častice prostredia s rovnakou fázou Zvukový lúč smer šírenia zvukového vlnenia v izotropnom prostredí je kolmý na vlnoplochu 22. február

21 Rovinná a guľová zvuková vlna Guľová zvuková vlna vlnoplochy v tvare koncentrických gúľ zvukové lúče v tvare sférických radiál každý zvukový zdroj, ktorého rozmery sú oveľa menšie, ako je vlnová dĺžka vysielaného zvukového vlnenia Rovinná zvuková vlna vlnoplochy v tvare paralelných rovín zvukové lúče v tvare súbežných priamok teoretickým zdrojom je nekonečná rovina simuluje sa v akustických trubiciach, guľová vlna vo veľkej vzdialenosti od zdroja Valcová (cylindrická) vlna vlnoplochy v tvare sústredných valcov zvukové lúče v tvare paralelných radiál teoretickým zdrojom je pulzujúca priamka 22. február

22 Frekvencia, perióda a vlnová dĺžka zvuku λ = ct = [ ] [] [ ] [ m] λ m - vlnová dĺžka s - perióda kmitania Hz - frekvencia 22. február T f c f

23 Zvuk, ultrazvuk a infrazvuk Infrazvuk zemetrasenia, povodne, požiare, víchrice, automobilové a letecké motory zvieratá (slony, tigre, žraloky,...) (umožňuje komunikáciu na veľké vzdialenosti) The Sonic Weapon of Vladimir Gavreau (infrazvukové píšťaly organ) Ultrazvuk zvieratá (psy, myši, delfíny, netopiere, hmyz,...) diagnostická sonografia v medicíne nedeštruktívná priemyselná diagnostika lokalizácia objektov (sonar) ultrazvukové čistenie komunikácia (modulovaný ultrazvuk) medzi ponorkami zvuk: f 16, Hz λ 21.5 m,1.5 cm 22. február 2007 ultrazvuk: f > Hz; λ < 1.5 cm infrazvuk: f < 16 Hz; λ > 21.5 m 23

24 Vlnové dĺžky zvukového vlnenia rôznych frekvencií v prostredí s rovnakou rýchlosťou šírenia zvuku 22. február

25 Vlnové dĺžky zvukového vlnenia rovnakých frekvencií v prostrediach s rôznou rýchlosťou šírenia zvuku 22. február

26 Lineárna a nelineárne frekvenčné stupnice frekvencia versus výška tónu hudobné stupnice empiricky určené frekvenčné intervaly matematické stupnice logaritmická stupnica oktávová, poloktávová a tretino-oktávová stupnica stupnice odvodené od vlastností ľudského sluchu melova stupnica barkova stupnica 22. február

27 Oktávové frekvenčné pásma v profesionálnej zvukovej technike sa na analýzu a úpravu zvukových signálov často používajú frekvenčné analyzátory, ktoré sú založené na tzv. oktávových (tretinooktávových) frekvenčných filtroch stredné a hraničné frekvencie týchto filtrov upravuje norma ISO: Oktáva f 2 : 2 f 1 = f Pol oktáva : = 2 f f Tretino oktáva : = 2 f q f = n = 0, ± 1, ± 2, ± 3,... q = 1,2,3 nc, f f nh, nd, = 2 1 q f = f f nc, nh, nd, n 22. február

28 Príklad 22. február

29 Atmosférický (statický) tlak zvuková vlna sa šíri v prostredí, v ktorom pôsobí stály barometrický tlak tlak, ktorý v danom mieste existuje aj bez prítomnosti zvukovej vlny barometrický tlak závisí od nadmorskej výšky a teploty vzduchu jednotkou je Pascal (1Pa=1Nm -2 =1kgm -1 s -1 ) označovanie p 0 [Nm -2 ;Pa] priemerná hodnota pri bežnej teplote (20 C) je približne p 0 =10 5 Pa 22. február

30 Akustický tlak rozdiel medzi okamžitou a referenčnou (strednou) hodnotou atmosférického tlaku v danom mieste prostredia striedavá veličina, t.j. nadobúda kladné i záporné hodnoty a je skalárom (matematicko-fyzikálne hľadisko) bežné hodnoty akustického tlaku pokrývajú rozsah hodnôt rádovo od 10-5 Pa až po 10 2 Pa označovanie p A [Nm -2 ;Pa] 22. február

31 Hladina akustického tlaku Rozsah akustických tlakov, vyskytujúcich sa v prírode, od šepotu až po hluk turbín veľkých lietadiel je veľmi veľký a ľudské ucho vníma akustické tlaky v rozpätí od 0,00002 Pa až po 200 Pa. Pretože zápis ich hodnôt na lineárnej stupnici je málo prehľadný, používa sa v akustike častejšie logaritmická stupnica. Pri vyjadrovaní hodnôt akustického tlaku na logaritmickej stupnici sa vychádza z logaritmu podielu akustického tlaku a jeho medzinárodne normovanej referenčnej hodnoty. Takto získaná veličina sa nazýva hladina akustického tlaku. Vyjadruje sa v decibeloch. L p pa pa = 20 log = 20 log =20 log p 94 Pa;dB 5 A + p 210 Aref, [ ] 22. február

32 Vlnová (merná akustická) impedancia komplexný pomer akustického tlaku a akustickej rýchlosti zvukového vlnenia v danom prostredí komplexná veličina, ktorá vyjadruje reakciu prostredia na činnosť akustického zdroja jej reálna časť je vlnový odpor prostredia ktorého hodnota závisí iba od vlastností prostredia (r V =c.ρ 0 ) p = z A Nsm 3 ; rayl V v 22. február

33 Akustický výkon pri šírení zvukového vlnenia dochádza k pôsobeniu akustického tlaku na plochu silou, ktorá je daná veľkosťou akustického tlaku a veľkosťou a tvarom uvažovanej plochy definícia akustického výkonu vychádza zo všeobecnej definície výkonu v tvare skalárneho súčinu vektorov sily a akustickej rýchlosti, t.j.: PA = F v [W] Ak akustický tlak pôsobí na plochu rovnomerne, bude pre akustický výkon platiť: P = p S v cos( ψ ) A A ψje uhol medzi normálou k ploche S a vektorom akustickej rýchlosti Ak akustický tlak pôsobiaci na plochu S sa spojito mení: P = dp = p v cos( ψ ) ds A A A S S 22. február

34 Akustická intenzita množstvo energie, prechádzajúce za jednotku času cez jednotku plochy, kolmej na smer šírenia zvukovej vlny akustickú intenzitu definuje akustický výkon prechádzajúci plochou S, orientovanou kolmo na smer šírenia akustickej energie: dp p v ds IA p v ds ds Wm A A -2 = = = A 22. február

35 L P P Aref, Hladina akustického výkonu a intenzity PA = 10 log = 10 log( PA) W;dB P = Aref, W [ ] L I I Aref, I = = + A log 10 log( IA) 120 Wm ;db I Aref, = 10 Wm február

36 Akustické tlaky a hladiny akustických tlakov 22. február

37 Inverse square law február

38 Inverse square law február

39 Odbory akustiky Fyzikálna akustika Náuka o vzniku a šírení zvuku. Fyziologická akustika a psychoakustika Zaoberá sa mechanizmom spracovania zvukového rozruchu sluchovým orgánom, nervovým systémom a interpretáciou zvukového obrazu mozgom človeka (psychoakustika) a akustikou hlasu a reči. Priestorová akustika Riešnie akustickej kvality uzavretých priestorov s dôrazom na optimálny tvar a veľkosť priestoru (geometrická akustika) a použité materiály na jeho výstavbu a vybavenie (stavebná akustika - náuka o pohlcovaní zvuku a zvukovej izolácii). Vibroakustika Štúdium hluku a vibrácií strojov a zariadení. Hydroakustika Študium šírenia zvuku v tekutinch a jeho praktické aplikácie (detekcia plávajúcich objektov) Elektroakustika Premena akustických signálov na elektrické, ich spracovaním a opätovnou premenou na signály akustické - zvukový (elektroakustický) systém. 22. február

40 Elektroakustický systém Z P p(t,λ) w(t,λ) Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač EMM - Elektromechanický menič 22. február

41 Typické časti elektroakustického systému zdroj zvuku / prijímateľ zvuku akustické pole (akustický priestor) akustický prijímač / akustický vysielač elektromechanický menič (elektrická) prenosová cesta 22. február

42 Zdroj zvuku Z P p(t,λ) w(t,λ) Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta prirodzený človek reč, spev, neartikulované zvuky ostatné živé tvory (zvieratá,...) prírodné javy (šum lístia, úder hromu,...)... umelý (vyrobený človekom) hudobné nástroje stroje... Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač EMM - Elektromechanický menič 22. február

43 Akustické pole Z P p(t,λ) w(t,λ) Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta otvorené ulica, štadión,... zatvorené malé(obývačka, nahrávacie štúdio, menšia poslucháreň,...) veľké (športová hala, kostol, kongresová sála, staničná budova,...) Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač EMM - Elektromechanický menič priestor, v ktorom sa šíri zvukové (akustické) vlnenie akustické pole jediného zvukového zdroja akustické pole viacerých zvukových zdrojov princíp superpozície 22. február

44 Akustický prijímač Z P p(t,λ) w(t,λ) Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta reálny membrána páska... teoretický nultého rádu (bodový prijímač) prvého rádu druhého a vyšších rádov Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač rady a polia bodových akustických prijímačov EMM - Elektromechanický menič 22. február

45 Akustické vysielače reálne mechanické kmitajúce telesá ich povrchom sa prenáša kmitanie do okolitého prostredia membrány, struny,... nárazy a trenie telies aerodynamické turbulentné prúdenie vzduchu (voľné resp. v trubici/štrbine) obtekanie telies prúdom vzduchu teoretické (matematické modely) pulzujúca guľa (bodový vysielač, vysielač nultého rádu) akustický dipól (vysielač prvého rádu) sférické vysielače druhého a vyšších rádov rady a polia bodových zdrojov priamkové, valcové a piestové vysielače Z P p(t,λ) w(t,λ) Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta EMM - Elektromechanický menič 22. február

46 Elektromechanický menič podľa fyzikálneho princípu činnosti elektromagnetický elektrodynamický elektrostatický piezoelektrický... podľa smeru premeny energie jednosmerné (nerecipročné) obojsmerné (recipročné)... Z P p(t,λ) w(t,λ) Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta EMM - Elektromechanický menič 22. február

47 Prenosová cesta obvody elektronického spracovania zosiľňovače efektové procesory AD/DA prevodníky... záznamové systémy drôtové a bezdrôtové prenosové cesty meracie prístroje riadiace a kontrolné obvody... Z P p(t,λ) w(t,λ) Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta EMM - Elektromechanický menič 22. február

48 Prijímateľ zvuku: človek sluchové ústrojenstvo človeka premena zvukového vlnenia na nervové vzruchy (elektrické signály) auditórnych nervov fyziologická akustika mozog tvorba zvukového obrazu - psychoakustika Z P p(t,λ) w(t,λ) Akustické pole Akustické pole p(t,λ) w(t,λ) AP AV f m (t,ω) v m (t,ω) EMM EMM u e (t,ω) i e (t,ω) Prenosová cesta Z - Zdroj zvuku P - Prijímateľ zvuku AP - Akustický prijímač AV - Akustický vysielač EMM - Elektromechanický menič 22. február

49 Subsystémy zvukového systému Ozvučovací/prizvučovací systém slúži na zásobovanie ohraničeného priestoru zvukovým signálom v reálnom čase ak je v ozvučovanom priestore aj samotný zdroj zvuku, hovoríme o prizvučovacom systéme. Systém na reprodukciu zvuku zosilňujú zvukový signál zo záznamového zariadenia alebo zo vzdialeného zdroja (bezdrôtový alebo drôtový rozhlas); Syntetizátorové systémy systémy s umelými zdrojmi zvuku (hudobné a hlasové sysntetizátory) "speech privacy systems", ktoré slúžia na maskovanie ľudskej reči šumom Pamäťové systémy záznamové zvukové systémy všetkých druhov Meracie systémy elektroakustické meracie prístroje (ale aj metódy merania), ktoré sa používajú na meranie parametrov zvukového systému tak v jeho elektronickej ako aj akustickej časti môžu byť prenosné alebo môžu byť stálou súčasťou zvukového systému (v jeho kontrolnej a riadiacej časti); Riadiace a kontrolné subsystémy používajú sa na kontrolu a riadenie iných častí zvukového systému (napr. automatická regulácia hlasitosti ovládaná hladinou šumu v miestnosti, systémy na zamedzenie akustickej spätnej väzby apod.) Komunikačné subsystémy zabezpečujú prepojenie dvoch alebo viacerých lokálnych alebo vzdialených (remote) zvukových systémov (prepojenie dvoch konferenčných miestností, audio-konferenčné systémy, prepojenie zvukových štúdií v rámci lokálnej alebo rozľahlej počítačovej siete a pod.). 22. február

50 Charakteristiky elektroakustického systému zvukové vlnenie ako signál a jeho charakteristiky časový priebeh signálu frekvenčné spektrum signálu nelineárne skreslenie dynamický rozsah štatistické charakteristiky (...)... charakteristiky čiastkových komponentov (podsystémov) a celková charakteristika systému impedančné charakteristiky (na vstupe a výstupe) prenosové charakteristiky amplitúdová (magnitúdová) frekvenčná charakteristika fázová frekvenčná charakteristika skupinové oneskorenie prechodová a charakteristika impulzová odpoveď... iné dôležité charakteristiky vlastnosti materiálov (zvuková pohltivosť, vzduchová nepriezvučnosť,...) smerové charakteristiky ak. vysielačov a prijímačov doba dozvuku a dozvuková vzdialenosť február

51 Amplitúdová frekvenčná charakteristika nízkotónového reproduktora v zatvorenej ozvučnici 22. február

52 Amplitúdová frekvenčná charakteristika nízkotónového reproduktora v zatvorenej ozvučnici 22. február

53 Smerová charakteristika nízkotónového reproduktora 22. február

54 Časový priebeh zvukového signálu pri meraní doby dozvuku 22. február

55 Krivky rovnakej hlasitosti ukazujú rozdiel medzi hladinou akustického tlaku (intenzity) a spôsobom jeho vnímania (percepcie) sluchovým ústrojenstvom človeka uplatňujú sa aj pri technickom návrhu elektroakustických zariadení (fyziologické regulátory hlasitosti, moderné telefónne kodeky, kompresia audiosignálov,... ) 22. február

56 Test Ako sa nazýva kniha, ktorú napísal John William Strutt, barón Rayleigh ešte v 19. storočí a je považovaná za jedno zo základných diel akustiky? Aký je základný rozdiel medzi pozdĺžnou a priečnou vlnou? Vlnová dĺžka zvuku sa s rastúcou frekvenciou: a) zväčšuje b) zmenšuje c) nemení 22. február

57 22. február